基于软件集成平台的平面变压器优化设计

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1、第30卷第6期重庆大学学报(自然科学版)V0l_30No．62007年6月JournalofChongqingUniversity(NaturalScienceEdition)Jun．2007文章编号：1000．582X(2007)06．0021．04基于软件集成平台的平面变压器优化设计陆治国，舒畅，林风(重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆400030)摘要：针对平面变压器绕组特殊结构，提出了一种基于iSIGHT软件集成平台的平面变压器优化设计方法。将电磁仿真软件Maxwell3D和电路仿真软件Saber通过优化软件iSIG

2、HT进行集成，研究了平面变压器的寄生效应，通过改变平面变压器原边与副边绕组之间的绝缘层厚度，调节绕组各寄生参数的大小，实现了降低危及开关安全运行的电压尖峰，改善开关电源的性能，最终获得平面变压器的最优设计，并通过仿真分析来验证理论分析的正确性。关键词：平面变压器；寄生参数；iSIGHT软件；优化设计中图分类号：TM433文献标志码：A采用传统变压器的开关电源在向高功率密度和低器是在一般的铁氧体铁芯上套上绕有漆包线骨架的线造型方向发展时暴露出诸多限制。为了提高功率密圈，而平面变压器没有漆包线绕组，而是将扁平的连续度，就得提高变换器的开关频率，从而减小电

3、路中无源铜质螺旋线腐蚀刻在敷铜薄膜材料(大多为PCB基元件的体积。但是对于传统绕线式变压器，当开关频材)上，或采用铜箔，然后叠放在铁芯上，其典型结构率高于100kHz时，变压器圆铜线的高频效应(主要为如图1所示。集肤效应和邻近效应)越来越显著，增加了变压器的¨平面删铁芯损耗。为了削弱高频效应，可采用低造型铁芯以及印绕组层1刷电路板平面绕组制作而成的平面变压器⋯。与传统绕线式变压器相比，平面变压器具有相当多优点，例如低造型，良好的散热特性，漏感小，可实现特性重现等等。然而，当开关频率高达数百千赫兹甚至大于1MHz时，平面变压器同样受到诸如集肤效应和邻近

4、效应等高频效应的影响。这些高频效应产生的交流电阻、漏感以及分布电容，增大了开关电源的损耗，其中漏感和分布电容释放储能时产生危及功率开关安全图1平面变压器的典型结构图运行的电压尖峰，降低了开关电源的性能，此外由于减1．2平面变压器寄生参数小漏感与减小分布电容的要求相矛盾，因此平面变压器的优化设计必须考虑所有寄生参数的影响。随着工作频率升高，高频电流在线圈中流通产生严重的高频效应，产生的寄生参数大大降低了开关电1平面变压器模型源电路的性能，效率下降，产生电压尖峰、寄生振荡和1．1平面变压器结构电磁干扰等。为此，选择了综合考虑励磁电感、漏感、平面变压器结构

5、与传统变压器不一样。传统变压损耗和分布电容的变压器等效电路J，如图2所示。收稿日期：2007-02-04。基金项目：国家自然科学基金资助项目(59777021)。作者简介：陆治国(1964．)，男，重庆大学副教授，博士，主要从事集成电力电子技术建模与仿真，电力电子变换器的数字控制技术研究(Te1)023-65112638；(E-mail)zsluZOOO@yahoo．eom．en。22重庆大学学报(自然科学版)第30卷图4涡流场仿真的变压器等效电路图4中的阻抗矩阵Z可以表示为：Z=图2变压器的等效电路图由于工作频率高，变压器寄生参数在电路特性中R1+

6、R+s(Lf1+L。)署(¨sLmp)起着重要的作用。存储在分布电容和漏感中的能量，+gt+s(2、凡：，)在开关切换期间有可能产生损坏开关器件的高电压尖1峰。这些尖峰在元件上引起的动态功率损耗和过大的(3)应力，即为损坏器件的根源，平面变压器的设计优化目由式(2)与式(3)相等，可以得到图4中所有寄生标即为尽量减小开关两端电压峰值。所以在平面变压元件的参数值如下：器优化设计中，应该综合分析变压器的寄生参数，包括RcI2，呷交流电阻、漏感及分布电容。1．3寄生参数计算Rl=R11一—尺12，Lf1=L11一=上l2；IL2，‘2设计选用Ansoft公

7、司的Maxwell3D软件对平面变压器进行涡流场和静电场的仿真研究，求解出变一一压器各寄生参数，建立等效电路，以便对变压器进行优然后对Maxwell3D平面变压器模型进行静电场化。建立的平面变压器3D仿真模型如图3所示。仿真，就会得到如式(4)所示的2×2维分布电容矩阵，便可从中提取出图2中的3个分布电容的参数值。最终便可求解出平面变压器所有寄生参数，得到完整的平面变压器等效电路模型。c：fc--。C-1。(4)L—C12C2+C12J2平面变压器优化平面变压器设计优化将以iSIGHT软件集成平台为核心，集成Maxwell3D和电路仿真软件Saber

8、，用以图3Maxwell3D建立的平面变压器模型综合分析平面变压器高频寄生参数对变换器电路暂态首先对Maxw